(57)【要約】  ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）システムと使用されるシリコンベースのマイクロディスプレイシステム（例えば、ＯＬＥＤマイクロディスプレイ）のようなディスプレイシステムとともに使用するための、曲面上の二重フレネルレンズを利用した光学システムを提供するためのシステムおよび方法である。本明細書に開示される光学システムは、複数のフレネルパターンまたは関数によって画定されるフレネル面の複数のゾーンまたはフィールド（例えば、小さなＦＯＶ角度、大きなＦＯＶ角度）間で滑らかなプロファイル移行を提供し、収差を低減するために、多重化または混合を実装し得る。成形性および収差制御のための良好な形状係数を維持しつつも、焦点距離を短くすべく曲面上の二重フレネルレンズを利用する、マイクロディスプレイのための光学システムが提供される。
2019529995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロディスプレイと使用するための光学システムであって、
前記マイクロディスプレイに対して相対的に近接して配置された第１レンズ要素であって、前記マイクロディスプレイの方向を向いた第１面と、前記マイクロディスプレイとは反対方向を向いた第２面とを有し、前記第１面は凹面を有し、前記第２面は凹面を有し、前記第１面および前記第２面の少なくとも一方は、その表面にフレネル構造を有する、第１レンズ要素と、
前記マイクロディスプレイに対して相対的に遠位に配置された第２レンズ要素であって、前記マイクロディスプレイの方向を向いた第３面と、前記マイクロディスプレイとは反対方向を向いた第４面とを有し、前記第３面は凸面を有し、前記第４面は凹面を有し、前記第３面および前記第４面の少なくとも一方は、その表面にフレネル構造を有する、第２レンズ要素と
を備える光学システム。
【請求項２】
少なくとも前記第１面および前記第３面は、その表面にフレネル構造を有する、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
少なくとも前記第２面および前記第３面は、その表面にフレネル構造を有する、請求項１に記載の光学システム。
【請求項４】
少なくとも前記第１面および前記第４面は、その表面にフレネル構造を有する、請求項１に記載の光学システム。
【請求項５】
少なくとも前記第２面および前記第４面は、その表面にフレネル構造を有する、請求項１に記載の光学システム。
【請求項６】
前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面のうちの少なくとも３つは、その表面にフレネル構造を有する、請求項１に記載の光学システム。
【請求項７】
前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面の少なくとも１つは、複数のフレネルパターンによって画定されるフレネル構造を有する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項８】
前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面の少なくとも１つは、単一のフレネルパターンによって画定されるフレネル構造を有する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項９】
前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面の少なくとも１つは、第１フレネルパターンによって画定される第１ゾーンおよび第２フレネルパターンによって画定される第２ゾーンを含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面の前記少なくとも１つは、前記第１ゾーンと前記第２ゾーンとの間に配置された第３ゾーンを含み、前記第３ゾーンは、前記第３ゾーンにおいて前記第１ゾーンと前記第２ゾーンとの間の滑らかな移行を提供する第３フレネルパターンによって画定される、請求項９に記載の光学システム。
【請求項１１】
前記第３フレネルパターンは、前記第２フレネルパターンを表す第２関数によって多重化または乗算の少なくとも一方が成された前記第１フレネルパターンを表す第１関数によって画定される、請求項１０に記載の光学システム。
【請求項１２】
前記第１面、前記第２面、前記第３面、前記第４面の少なくとも１つのうちのそれぞれは、第１フレネルパターンによって画定される第１ゾーンおよび第２フレネルパターンによって画定される第２ゾーンを含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１３】
前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面の前記少なくとも１つのうちのそれぞれは、前記第１ゾーンと前記第２ゾーンとの間に配置された第３ゾーンを含み、前記第３ゾーンは、前記第３ゾーンにおいて前記第１ゾーンと前記第２ゾーンとの間の滑らかな移行を提供する第３フレネルパターンによって画定される、請求項１２に記載の光学システム。
【請求項１４】
前記第３フレネルパターンを表す第３関数は、前記第２フレネルパターンを表す第２関数によって多重化または乗算の少なくとも一方が成された前記第１フレネルパターンを表す第１関数によって画定される、請求項１３に記載の光学システム。
【請求項１５】
前記第１ゾーンは中央ゾーンを有し、前記第２ゾーンは、前記第１ゾーンを囲む周辺ゾーンを有する、請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項１６】
前記第１レンズ要素および前記第２レンズ要素は、２５ｍｍよりも小さい合成焦点距離を有する、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項１７】
前記第１レンズ要素および前記第２レンズ要素は、少なくとも８５度の視野を提供する、請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項１８】
前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面の少なくとも１つは、第１ピッチ値を有するフレネル構造を有し、前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面の少なくとも１つは、第２ピッチ値を有するフレネル構造を有し、前記第１ピッチ値は前記第２ピッチ値とは異なる、請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項１９】
前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面の少なくとも１つの前記フレネル構造は、中心光軸に沿って、前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面のうちの少なくとも他の１つの前記フレネル構造と半径方向に位置合わせされる、請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項２０】
前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面の少なくとも１つの前記フレネル構造は、中心光軸に沿って、前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面のうちの少なくとも他の１つの前記フレネル構造と半径方向にオフセットされる、請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項２１】
前記第１レンズ要素と前記第２レンズ要素はエアギャップによって分離され、前記エアギャップは、前記第１レンズ要素の屈折率より小さく、且つ、前記第２レンズ要素の屈折率より小さい屈折率を有する、請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載の光学システム。
【請求項２２】
ユーザの一方の目に対するディスプレイをそれぞれ提供する第１ディスプレイサブシステムおよび第２ディスプレイサブシステムを備え、
前記第１ディスプレイサブシステムおよび前記第２ディスプレイサブシステムのそれぞれは、
マイクロディスプレイと、
前記マイクロディスプレイに対して相対的に近接して配置された第１レンズ要素であって、前記マイクロディスプレイの方向を向いた第１面と、前記マイクロディスプレイとは反対方向を向いた第２面とを有し、前記第１面は凹面を有し、前記第２面は凹面を有し、前記第１面および前記第２面の少なくとも一方は、その表面にフレネル構造を有する、第１レンズ要素と、
前記マイクロディスプレイに対して相対的に遠位に配置された第２レンズ要素であって、前記マイクロディスプレイの方向を向いた第３面と、前記マイクロディスプレイとは反対方向を向いた第４面とを有し、前記第３面は凸面を有し、前記第４面は凹面を有し、前記第３面および前記第４面の少なくとも一方は、その表面にフレネル構造を有する、第２レンズ要素と
を有する、ヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項２３】
少なくとも前記第１面および前記第３面は、その表面にフレネル構造を有する、請求項２２に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項２４】
少なくとも前記第２面および前記第３面は、その表面にフレネル構造を有する、請求項２２に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項２５】
少なくとも前記第１面および前記第４面は、その表面にフレネル構造を有する、請求項２２に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項２６】
少なくとも前記第２面および前記第４面は、その表面にフレネル構造を有する、請求項２２に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項２７】
前記第１面、前記第２面、前記第３面、および前記第４面のうちの少なくとも３つは、その表面にフレネル構造を有する、請求項２２に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項２８】
前記第１ディスプレイサブシステムおよび前記第２ディスプレイサブシステムのそれぞれの前記マイクロディスプレイは、シリコンベースのマイクロディスプレイを有する、請求項２２から請求項２７のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項２９】
前記第１ディスプレイサブシステムおよび前記第２ディスプレイサブシステムのそれぞれの前記マイクロディスプレイは、それぞれ、３５ｍｍよりも小さいかまたは３５ｍｍに等しい幅寸法および長さ寸法を有する、請求項２２から請求項２８のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項３０】
前記第１ディスプレイサブシステムおよび前記第２ディスプレイサブシステムのそれぞれの前記マイクロディスプレイは、２０μｍよりも小さいかまたは２０μｍに等しい画素サイズを有する、請求項２９に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項３１】
ユーザの一方の目に対するディスプレイをそれぞれ提供する第１ディスプレイサブシステムおよび第２ディスプレイサブシステムを備え、
前記第１ディスプレイサブシステムおよび前記第２ディスプレイサブシステムのそれぞれは、
マイクロディスプレイと、
前記マイクロディスプレイに対して相対的に近接して配置されたレンズ要素であって、前記マイクロディスプレイの方向を向いた第１面と、前記マイクロディスプレイとは反対方向を向いた第２面とを有し、前記第１面および前記第２面は、それぞれ、その表面にフレネル構造を有する凹面を有する、レンズ要素と
を有する、ヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項３２】
前記第１面および前記第２面の少なくとも一方は、複数のフレネルパターンによって画定されるフレネル構造を有する、請求項３１に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項３３】
前記第１面および前記第２面の少なくとも一方は、単一のフレネルパターンによって画定されるフレネル構造を有する、請求項３１に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項３４】
前記第１面および前記第２面の少なくとも一方は、第１フレネルパターンによって画定される第１ゾーンおよび第２フレネルパターンによって画定される第２ゾーンを含む、請求項３１から請求項３３のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項３５】
前記第１面および前記第２面の少なくとも一方は、前記第１ゾーンと前記第２ゾーンとの間に配置された第３ゾーンを含み、前記第３ゾーンは、前記第３ゾーンにおいて前記第１ゾーンと前記第２ゾーンとの間の滑らかな移行を提供する第３関数によって画定される、請求項３４に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項３６】
前記第３関数は、前記第２フレネルパターンを表す第２関数によって多重化または乗算の少なくとも一方が成された前記第１フレネルパターンを表す第１関数によって画定される、請求項３５に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項３７】
前記第１面および前記第２面のそれぞれは、第１フレネルパターンによって画定される第１ゾーンおよび第２フレネルパターンによって画定される第２ゾーンを含む、請求項３１に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項３８】
前記第１面および前記第２面のそれぞれは、前記第１ゾーンと前記第２ゾーンとの間に配置された第３ゾーンを含み、前記第３ゾーンは、前記第３ゾーンにおいて前記第１ゾーンと前記第２ゾーンとの間の滑らかな移行を提供する第３関数によって画定される、請求項３７に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項３９】
前記第３関数は、前記第２フレネルパターンを表す第２関数によって多重化または乗算の少なくとも一方が成された前記第１フレネルパターンを表す第１関数によって画定される、請求項３８に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項４０】
前記第１ゾーンは中央ゾーンを有し、前記第２ゾーンは、前記第１ゾーンを囲む周辺ゾーンを有する、請求項３７から請求項３９のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項４１】
前記マイクロディスプレイは、シリコンベースのマイクロディスプレイを有する、請求項３１から請求項４０のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項４２】
前記レンズ要素は、２５ｍｍよりも小さい焦点距離を有する、請求項３１から請求項４１のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項４３】
前記レンズ要素は、少なくとも８５度の視野を提供する、請求項３１から請求項４２のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項４４】
前記第１面は、第１ピッチ値を有するフレネル構造を有し、前記第２面は、第２ピッチ値を有するフレネル構造を有し、前記第１ピッチ値は前記第２ピッチ値とは異なる、請求項３１から請求項４３のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項４５】
前記第１面の前記フレネル構造は、中心光軸に沿って、前記第２面の前記フレネル構造と半径方向に位置合わせされる、請求項３１から請求項４４のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【請求項４６】
前記第１面の前記フレネル構造は、中心光軸に沿って、前記第２面の前記フレネル構造と半径方向にオフセットされる、請求項３１から請求項４４のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、ヘッドマウントディスプレイシステムのマイクロディスプレイのようなディスプレイのための光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
１つの現世代の仮想現実（ＶＲ）経験は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）を使用して生成される。これは、（パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、ラップトップ、またはゲームコンソールのような）固定されたコンピュータに繋がれ得るか、スマートフォンおよび／またはその関連するディスプレイと組み合わされ得る、および／または一体化され得るか、もしくは、内蔵型であり得る。概して、ＨＭＤは、ユーザの頭部に着用され、一方の目（単眼ＨＭＤ）またはそれぞれの目（双眼ＨＭＤ）の前方に小さなディスプレイデバイスを有するディスプレイデバイスである。このディスプレイユニットは、典型的には小型であり、例えば、ＣＲＴ、ＬＣＤ、シリコン上液晶（ＬＣｏｓ）、またはＯＬＥＤ技術を含んでよい。双眼ＨＭＤは、それぞれの目に対して異なる像を表示する可能性を有する。この能力は、立体画像を表示するために使用される。
【０００３】
スマートフォンおよび高精細度テレビ、並びにその他の電子デバイスの普及に伴うことを含め、より高性能のディスプレイに対する要求が増してきている。仮想現実および拡張現実システム、特に、ヘッドマウントディスプレイを使用するものの人気の高まりが、そのような要求をさらに増大させてきた。仮想現実システムは、典型的には、装着者の両目を完全に覆い隠し、装着者の前方の実際の視界（または、実際の現実）を「仮想的」な現実で置換する。一方、拡張現実システムは、典型的には、追加の情報によって実際の視界が拡張されるように、１または複数のスクリーンの半透明または透明な重なりを装着者の両目の前方に提供する。
【０００４】
しかしながら、視聴者の目とディスプレイとの間の距離が低減され、しばしば視野が完全に見えなくされる、そのようなヘッドマウントディスプレイは、従来のディスプレイが満たすことができない手段でディスプレイの性能要求を増大させてきており、また、費用対効果の高いレベルでそうすることはもちろんのことである。ＯＬＥＤマイクロディスプレイのようなマイクロディスプレイは、従来のディスプレイよりも遥かに小さいが、追加的な課題を伴う。例えば、マイクロディスプレイは、非常に短い焦点距離のレンズを必要とする。さらに、ユーザの目の瞳サイズは固定されているので、マイクロディスプレイを使用するＨＭＤのレンズのＦ／＃が減少し、これにより、特定のレンズシステムの収差を増大させる傾向にある。さらに、マイクロディスプレイは小さな画素を有する。ＨＭＤ光学の空間分解能のこの増大は、そのようなＨＭＤのためのレンズの設計および製造に対する課題をさらに増大させる。
【発明の概要】
【０００５】
マイクロディスプレイと使用するための光学システムが、マイクロディスプレイに対して相対的に近接して配置された第１レンズ要素、および、マイクロディスプレイに対して相対的に遠位に配置された第２レンズ要素を含むものとして要約され得る。第１レンズ要素は、マイクロディスプレイの方向を向いた第１面、および、マイクロディスプレイとは反対方向を向いた第２面を有する。第１面は凹面を有し、第２面は凹面を有し、第１面および第２面の少なくとも一方は、その表面にフレネル構造を有する。第２レンズ要素は、マイクロディスプレイの方向を向いた第３面、および、マイクロディスプレイとは反対方向を向いた第４面を有する。第３面は凸面を有し、第４面は凹面を有し、第３面および第４面の少なくとも一方は、その表面にフレネル構造を有する。少なくとも第１面および第３面は、その表面にフレネル構造を有してよい。少なくとも第２面および第３面は、その表面にフレネル構造を有してよい。少なくとも第１面および第４面は、その表面にフレネル構造を有してよい。少なくとも第２面および第４面は、その表面にフレネル構造を有してよい。第１面、第２面、第３面、および第４面のうちの少なくとも３つは、その表面にフレネル構造を有してよい。第１面、第２面、第３面、および第４面の少なくとも１つは、複数のフレネルパターンによって画定されるフレネル構造を含んでよい。第１面、第２面、第３面、および第４面の少なくとも１つは、単一のフレネルパターンによって画定されるフレネル構造を含んでよい。第１面、第２面、第３面、および第４面の少なくとも１つは、第１フレネルパターンによって画定される第１ゾーン、および、第２フレネルパターンによって画定される第２ゾーンを含んでよい。
【０００６】
第１面、第２面、第３面、および第４面の少なくとも１つは、第１ゾーンと第２ゾーンとの間に配置された第３ゾーンを含んでよい。第３ゾーンは、第３ゾーンにおいて第１ゾーンと第２ゾーンとの間の滑らかな移行を提供し得る第３フレネルパターンによって画定される。第３フレネルパターンは、第２フレネルパターンを表す第２関数によって多重化または乗算の少なくとも一方が成された第１フレネルパターンを表す第１関数によって画定されてよい。第１面、第２面、第３面、第４面の少なくとも１つのうちのそれぞれは、第１フレネルパターンによって画定される第１ゾーン、および、第２フレネルパターンによって画定される第２ゾーンを含んでよい。第１面、第２面、第３面、および第４面の少なくとも１つのうちのそれぞれは、第１ゾーンと第２ゾーンとの間に配置された第３ゾーンを含んでよい。第３ゾーンは、第３ゾーンにおいて第１ゾーンと第２ゾーンとの間の滑らかな移行を提供し得る第３フレネルパターンによって画定される。第３フレネルパターンを表す第３関数は、第２フレネルパターンを表す第２関数によって多重化または乗算の少なくとも一方が成された第１フレネルパターンを表す第１関数によって画定されてよい。第１ゾーンは中央ゾーンを含んでよく、第２ゾーンは、第１ゾーンを囲む周辺ゾーンを含んでよい。第１レンズ要素および第２レンズ要素は、２５ｍｍよりも小さくてよい合成焦点距離を有し得る。第１レンズ要素および第２レンズ要素は、少なくとも８５度であってよい視野を提供し得る。
【０００７】
第１面、第２面、第３面、および第４面の少なくとも１つは、第１ピッチ値を有するフレネル構造を含んでよく、第１面、第２面、第３面、および第４面の少なくとも１つは、第２ピッチ値を有するフレネル構造を含んでよく、第１ピッチ値は第２ピッチ値とは異なる。第１面、第２面、第３面、および第４面の少なくとも１つのフレネル構造は、中心光軸に沿って、第１面、第２面、第３面、および第４面のうちの少なくとも他の１つのフレネル構造と半径方向に位置合わせされてよい。第１面、第２面、第３面、および第４面の少なくとも１つのフレネル構造は、中心光軸に沿って、第１面、第２面、第３面、および第４面のうちの少なくとも他の１つのフレネル構造と半径方向にオフセットされてよい。第１レンズ要素と第２レンズ要素はエアギャップによって分離されてよく、エアギャップは、第１レンズ要素の屈折率より小さく、且つ、第２レンズ要素の屈折率より小さいものであり得る屈折率を有する。
【０００８】
ヘッドマウントディスプレイシステムが、ユーザの一方の目に対するディスプレイをそれぞれ提供する第１ディスプレイサブシステムおよび第２ディスプレイサブシステムを含むものとして要約され得る。第１ディスプレイサブシステムおよび第２ディスプレイサブシステムのそれぞれは、マイクロディスプレイ、マイクロディスプレイに対して相対的に近接して配置された第１レンズ要素、および、マイクロディスプレイに対して相対的に遠位に配置された第２レンズ要素を含む。第１レンズ要素は、マイクロディスプレイの方向を向いた第１面、および、マイクロディスプレイとは反対方向を向いた第２面を有する。第１面は凹面を有し、第２面は凹面を有し、第１面および第２面の少なくとも一方は、その表面にフレネル構造を有する。第２レンズ要素は、マイクロディスプレイの方向を向いた第３面、および、マイクロディスプレイとは反対方向を向いた第４面を有する。第３面は凸面を有し、第４面は凹面を有し、第３面および第４面の少なくとも一方は、その表面にフレネル構造を有する。少なくとも第１面および第３面は、その表面にフレネル構造を有してよい。少なくとも第２面および第３面は、その表面にフレネル構造を有してよい。少なくとも第１面および第４面は、その表面にフレネル構造を有してよい。少なくとも第２面および第４面は、その表面にフレネル構造を有してよい。第１面、第２面、第３面、および第４面のうちの少なくとも３つは、その表面にフレネル構造を有してよい。第１ディスプレイサブシステムおよび第２ディスプレイサブシステムのそれぞれのマイクロディスプレイは、シリコンベースのマイクロディスプレイを含んでよい。第１ディスプレイサブシステムおよび第２ディスプレイサブシステムのそれぞれのマイクロディスプレイは、それぞれ、３５ｍｍよりも小さいかまたは３５ｍｍに等しい幅寸法および長さ寸法を有してよい。第１ディスプレイサブシステムおよび第２ディスプレイサブシステムのそれぞれのマイクロディスプレイは、２０μｍよりも小さいかまたは２０μｍに等しい画素サイズを有してよい。
【０００９】
ヘッドマウントディスプレイシステムが、ユーザの一方の目に対するディスプレイをそれぞれ提供する第１ディスプレイサブシステムおよび第２ディスプレイサブシステムを含むものとして要約され得る。第１ディスプレイサブシステムおよび第２ディスプレイサブシステムのそれぞれは、マイクロディスプレイ、および、マイクロディスプレイに対して相対的に近接して配置されたレンズ要素を含む。このレンズ要素は、マイクロディスプレイの方向を向いた第１面、および、マイクロディスプレイとは反対方向を向いた第２面を有する。第１面および第２面は、それぞれ、その表面にフレネル構造を有する凹面を有する。第１面および第２面の少なくとも一方は、複数のフレネルパターンによって画定されるフレネル構造を含んでよい。第１面および第２面の少なくとも一方は、単一のフレネルパターンによって画定されるフレネル構造を含んでよい。第１面および第２面の少なくとも一方は、第１フレネルパターンによって画定される第１ゾーン、および、第２フレネルパターンによって画定される第２ゾーンを含んでよい。第１面および第２面の少なくとも一方は、第１ゾーンと第２ゾーンとの間に配置された第３ゾーンを含んでよい。第３ゾーンは、第３ゾーンにおいて第１ゾーンと第２ゾーンとの間の滑らかな移行を提供し得る第３関数によって画定される。第３関数は、第２フレネルパターンを表す第２関数によって多重化または乗算の少なくとも一方が成された第１フレネルパターンを表す第１関数によって画定されてよい。第１面および第２面のそれぞれは、第１フレネルパターンによって画定される第１ゾーン、および、第２フレネルパターンによって画定される第２ゾーンを含んでよい。第１面および第２面のそれぞれは、第１ゾーンと第２ゾーンとの間に配置された第３ゾーンを含んでよい。第３ゾーンは、第３ゾーンにおいて第１ゾーンと第２ゾーンとの間の滑らかな移行を提供し得る第３関数によって画定される。
【００１０】
第３関数は、第２フレネルパターンを表す第２関数によって多重化または乗算の少なくとも一方が成された第１フレネルパターンを表す第１関数によって画定されてよい。第１ゾーンは中央ゾーンを含んでよく、第２ゾーンは、第１ゾーンを囲む周辺ゾーンを含んでよい。マイクロディスプレイは、シリコンベースのマイクロディスプレイを含んでよい。レンズ要素は、２５ｍｍよりも小さくてよい焦点距離を有し得る。レンズ要素は、少なくとも８５度であってよい視野を提供し得る。第１面は、第１ピッチ値を有するフレネル構造を含んでよく、第２面は、第２ピッチ値を有するフレネル構造を含んでよく、第１ピッチ値は第２ピッチ値とは異なる。第１面のフレネル構造は、中心光軸に沿って、第２面のフレネル構造と半径方向に位置合わせされてよい。第１面のフレネル構造は、中心光軸に沿って、第２面のフレネル構造と半径方向にオフセットされてよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
図面において、同一の参照番号は、同様な要素または動作を特定する。図面中の要素のサイズおよび相対的な位置は、必ずしも縮尺通りに描かれていない。例えば、様々な要素の形状および角度は、必ずしも縮尺通りに描かれておらず、これらの要素のうちのいくつかは、図面の読みやすさを改善すべく、任意に拡大および配置されてよい。さらに、これらの要素の描かれている特定の形状は、それら特定の要素の実際の形状に関する何らかの情報を伝えることが必ずしも意図されるものではなく、図面中で認識されることを容易にするために選択されただけであってよい。
【図１】例示される一実装例に係るフレネルレンズの図である。
【図２】例示される一実装例に係る、双眼ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）システムの上面図である。
【図３】例示される一実装例に係る、二重フレネル２要素設計を含む、図２のＨＭＤシステムの光学システムの左側断面立面図である。
【図４】例示される一実装例に係る、二重フレネル単一要素設計を含む、図２のＨＭＤシステムの光学システムの左側断面立面図である。
【図５】例示される一実装例に係る、図２のＨＭＤシステムの光学システムの単一要素の上面図である。
【図６】例示される一実装例に係る、対向する第２面のフレネル構造からオフセットされたフレネル構造を有する第１面を含む、二重フレネルレンズ要素の左側断面立面図である。
【図７】例示される一実装例に係る、対向する第２面のフレネル構造の第２ピッチ値とは異なる第１ピッチ値を有するフレネル構造を有する第１面を含む、二重フレネルレンズ要素の左側断面立面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の記載において、開示される様々な実装例の十分な理解を提供すべく、いくつかの具体的な詳細が説明される。しかしながら、これらの具体的な詳細の１または複数が無くとも、もしくは、他の方法、コンポーネント、材料などによっても、これらの実装例が実施され得ることを当業者は認識するであろう。他の場合において、これらの実装例の記載を不必要に曖昧にすることを回避すべく、コンピュータシステム、サーバコンピュータ、および／または通信ネットワークに関連付けられた周知の構造は示されていない、または、詳細には記載されていない。
【００１３】
文脈においてそうでないということを必要としない限り、本明細書および続く請求項を通して、「備え」という用語は「含む」と同義であり、包括的または末端開放型である（すなわち、追加的で列挙されていない要素または方法の動作を排除しない）。
【００１４】
本明細書を通じて、「一実装例」または「実装例」との参照は、その実装例に関連して記載される特定の特徴、構造または特性が、少なくとも１つの実装例に含まれることを意味する。従って、本明細書を通して様々な箇所における「一実装例において」または「実装例において」という表現の出現は、必ずしも、全てが同じ実装例を参照するものではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１または複数の実装例において、任意の適切な態様で組み合わされてよい。
【００１５】
本明細書および添付の請求項において使用されるように、「１つの」、「一の」、および「前記」という単数形は、そうでないことを文脈が明確に規定していない限り、複数の指示対象を含む。「または」という用語は、概して、そうでないことを文脈が明確に規定していない限り、その意味において「および／または」を含むように用いられることもまた、留意されるべきである。
【００１６】
本明細書にて提供される開示の見出しおよび要約は、利便性のためだけであり、実装例の範囲または趣旨を解釈するものではない。
【００１７】
本開示の１または複数の実装例は、ＨＭＤシステムで使用されるシリコンベースのマイクロディスプレイシステム（例えば、ＯＬＥＤマイクロディスプレイ）のようなディスプレイシステムで使用するための、積層型または二重フレネルレンズを利用した光学システムに向けられている。本明細書で使用されるように、「マイクロディスプレイシステム」または「マイクロディスプレイ」とは、それぞれ３５ｍｍより小さい幅および長さ寸法（例えば、１２×１２ｍｍ、２０×２０ｍｍ、３０×３０ｍｍ、１８×３０ｍｍ、１２×３５ｍｍ）を有し、約２０μｍより小さい画素サイズ（例えば、５μｍ、８μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ）を有するディスプレイのことを指す。
【００１８】
本明細書にて説明される１または複数の実装例は、複数の異なるフレネルパターン（例えば、２つの異なるフレネルパターン）によって画定されるフレネル面の複数のゾーンまたはフィールド（例えば、小さなＦＯＶ角度、大きなＦＯＶ角度）間で滑らかなプロファイル移行を提供し、収差を低減するために、多重化または混合を実装する光学システムもまた提供する。少なくともいくつかの実装例においては、成形性および収差制御のための良好な形状係数を維持しつつも、焦点距離を短くすべく曲面上の二重フレネルレンズを利用する、マイクロディスプレイのための光学システムが提供される。そのような設計は、大きなアイボックスおよび小さな瞳スイム（ｐｕｐｉｌ  ｓｗｉｍ）を提供しつつ、良好な収差制御を可能にする。
【００１９】
概して、フレネルレンズは、さもなければ従来設計のレンズが要求したであろう材料の質量および体積を必要とせずに、大きな開口および短い焦点距離を提供するタイプのレンズである。図１は、ＨＭＤのための光学システムとして従来使用され得るフレネルレンズ１００を示す。フレネルレンズ１００は、同心プリズムから成る周期的な屈折構造を含んでよい。各プリズムの面は、対応する従来のレンズ１０４の非球面状の面１０２をほぼ平面にすることによって光を屈折させるように設計される。従って、バルク部分のレンズ厚さの低減は、元の非球面状の面１０２とプリズムの面によって画定される新たなレンズ面とによって境界される体積と、実質的に等しいものとみなされてよい。上記にて留意されるように、このバルク部分の低減は、フレネルレンズがそれらの従来の対応物よりも実質的に薄く、より軽いことを可能にする。これは、サイズおよび重量の低減が重要であるＨＭＤシステムにとって有利である。
【００２０】
フレネル面を構成するこれらのプリズムの屈折面１０６は、溝１０８およびドラフト１１０と呼ばれることがある。これらの溝１０８およびドラフト１１０は、本明細書において集合的に「フレネル構造」、「フレネルカット」、または「マイクロ構造」と呼ばれることがあり、溝およびドラフトの全体的な形状および寸法はフレネルパターンと呼ばれることがある。溝１０８は、従来のレンズ１０４の非球面状の面１０２の連続する湾曲に近似するために使用される実際の面であり、一方、ドラフト１１０は、レンズの湾曲を平面（または、以下に説明されるような曲面）に戻すために必要な、溝同士の間の不連続点である。隣接する溝のピーク間の横方向の距離は、ピッチ１１２と呼ばれる。例として、フレネルレンズは、５００μｍのピッチを有してよい。以下にさらに説明されるように、フレネル面に対するピッチは、フレネルレンズの横方向の面にわたり、一定であっても変化してもよい。さらに、説明を目的として、図１ではフレネルレンズが平面上に示されているものの、本明細書にて説明される実装例の少なくともいくつかにおいて、フレネル面は、曲面（例えば、凹面、凸面）に提供される。これは、以下に説明されるように、有利で特有な収差の制御を可能にする。
【００２１】
図２は、一対のニアツーアイディスプレイシステム２０２および２０４を含む、ＨＭＤシステム２００の簡略化した上面図である。ニアツーアイディスプレイシステム２０２および２０４は、それぞれ、ディスプレイ２０６および２０８（例えば、ＯＬＥＤマイクロディスプレイ）、並びに、それぞれの光学システム２１０および２１２を含む。ディスプレイシステム２０２および２０４は、前方部２１６、左テンプル２１８、および右テンプル２２０を含んだフレーム２１４に取り付けられてよい。２つのディスプレイシステム２０２および２０４は、ユーザ２２４の頭部２２２に着用され得る眼鏡の構成においてフレーム２１４に固定されてよい。左テンプル２１８および右テンプル２２０は、それぞれ、ユーザの耳２２６および２２８上に置かれてよく、一方、鼻用部品（図示されない）は、ユーザの鼻２３０上に置かれてよい。フレーム２１４は、２つの光学システム２１０および２１２のそれぞれを、ユーザの目２３２および２３４のうちの一方の前方にそれぞれ位置させるような形状およびサイズであってよい。フレーム２１４は、眼鏡と同様に説明を目的として簡略化した態様で示されているものの、実際には、ディスプレイシステム２０２および２０４をユーザ２２４の頭部２２２で支持且つ位置決めするために、より精巧な構造（例えば、ゴーグル、一体化されたヘッドバンド、ヘルメット、ストラップ）が使用され得ることが理解されるべきである。
【００２２】
図２のＨＭＤシステム２００は、ユーザ２２４へ仮想現実を提示することが可能である。ディスプレイ２０６および２０８のそれぞれは、それぞれの光学システム２１０および２１２を透過し、それぞれがユーザ２２４の目２３２および２３４に焦点の合った光を生成してよい。この光は、ユーザ２２４によって、像および／またはビデオとして見られる。いくつかの実装例において、光学システム２１０および２１２のそれぞれとユーザの目２３２および２３４との間の距離は、比較的短くてよい（例えば、３０ｍｍよりも小さい、２０ｍｍよりも小さい）。これは、これらの光学システムおよびディスプレイシステムの重みがユーザの顔に比較的近いので、有利なことに、ユーザにとってＨＭＤシステム２００をより軽いものに思わせる。
【００２３】
図３は、光学システム３００（例えば、図２の光学システム２１０または光学システム２１２）、および、二重フレネル２要素設計を含む図２のヘッドマウントディスプレイシステム２００のディスプレイ３０２の左側断面立面図を示す。ディスプレイ３０２は、例えば、シリコンベースのマイクロディスプレイ（例えば、ＯＬＥＤマイクロディスプレイ）であってよい。本実装例において、光学システム３００は、ディスプレイ３０２に対して相対的に近接して配置された第１ハイブリッドフレネルレンズ要素３０４、（第１レンズ要素３０４と比較して）ディスプレイに対して相対的に遠位であって、少なくとも実質的に第１レンズ要素に隣接して配置された第２ハイブリッドフレネルレンズ要素３０６を含む。光学システム３００およびディスプレイ３０２の位置は、ＨＭＤシステム２００を装着しているユーザの目３０８（例えば、左目または右目）に対して示される（図２を参照のこと）。示されるように、光学システム３００とユーザの目３０８との間の距離は、比較的短くてよい（例えば、２５ｍｍよりも小さい、２０ｍｍよりも小さい）。ディスプレイの画素によって放出された光に対する、ディスプレイ３０２とユーザの目３０８との間の光路３１０もまた図３に示されている。
【００２４】
第１レンズ要素３０４は、マイクロディスプレイ３０２の方向を向いた第１面３１２、および、マイクロディスプレイとは反対方向を向いた第２面３１４を含む。少なくともいくつかの実装例において、第１面３１２は、凹状のフレネル面であり、その表面にフレネル構造（例えば、溝、ドラフト）を有する。従って、フレネル面の正のパワーが負または凹状の要素に「落ち込み」、これが、正の収差と負の収差とを互いにキャンセルさせる。簡潔にするため、これらのフレネル構造は図３には示されていない。少なくともいくつかの実装例において、第２面３１４は、球面状、非球面状、円錐状などのプロファイルを有する滑らかな凹面であってよい。
【００２５】
第２レンズ要素３０６は、マイクロディスプレイ３０２の方向を向いた第３面３１６、および、マイクロディスプレイとは反対方向を向いた（すなわち、ユーザの目３０８の方向を向いた）第４面３１８を有する。少なくともいくつかの実装例において、第３面３１６は凸状のフレネル面であり、その表面にフレネル構造（例えば、溝、ドラフト）を有する。少なくともいくつかの実装例において、第４面３１８は、球面状、非球面状、円錐状などのプロファイルを有する滑らかな凹面であってよい。
【００２６】
フレネル面および滑らかな面のその他の組み合わせが実装され得る。例えば、少なくともいくつかの実装例において、面３１４および３１６はフレネル面であり、面３１２および３１８は滑らかな面である。そのような実装例は、高から低へ、および、低から高へという反対の屈折率の移行を伴う２つのフレネル面を提供することにより、有利であり得る。例えば、レンズ要素３０４と３０６との間において相対的により低い屈折率を有するエアギャップと、レンズ要素３０６の面３１６との間での低から高への屈折率の移行は、レンズ要素３０４の面３１４とエアギャップとの間の高から低への屈折率の移行によって導入された収差をキャンセルする、または低減するように機能し得る。
【００２７】
より一般的には、面３１２、３１４、３１６および３１８のうちの少なくとも２つの任意の組み合わせがフレネル面であってよく、非フレネルレンズは（存在している場合）滑らかな面であってよい。さらに、面３１２、３１４、３１６および３１８の任意の組み合わせは、凹面、凸面、平面などであってよい。
【００２８】
フレネル面のいずれも、単一のフレネルパターンにより、または複数のフレネルパターン（例えば、２つのフレネルパターン、４つのフレネルパターン）により画定されてよい。例として、フレネル面の１または複数は、相対的に小さな視野（ＦＯＶ）角度（例えば、０−５０度）に対しては、第１の関連する焦点距離を有する第１フレネルパターンによって画定され、相対的に大きなＦＯＶ角度（例えば、５０−１１０度）に対しては、第２の関連する焦点距離を有する第２フレネルパターンによって画定されてよい。図５を参照して以下にさらに説明されるように、いくつかの実装例において、第１ゾーンと第２ゾーンとの間に配置される第３ゾーンにおける滑らかな移行を提供すべく、フレネル面の第１および第２領域またはゾーンに関連付けられた２つの異なるフレネルパターンまたは式が、多重化され、乗算され、さもなければ「混合され」てよい。これは、第１ゾーンおよび第２ゾーンのエッジにおける収差を低減する。
【００２９】
有利なことに、図３の光学システム３００は、４つの面、すなわち、面３１２、３１４、３１６および３１８が６つの面と同様に振る舞うことを可能にする。何故ならば、少なくともいくつかの実装例において、これらの面のうちの少なくとも２つ（例えば、面３１２と３１６、面３１４と３１６）がフレネル構造、並びに曲面の特徴（例えば、凸状、凹状）を提供するからである。これは、有利で特有な収差の制御を提供する。
【００３０】
図４は、図２のＨＭＤシステム２００のようなＨＭＤシステムに使用され得る光学システム４００の左側断面立面図を示す。光学システム４００は、二重フレネル単一要素設計を提供する。本実装例において、光学システム４００は、ユーザの目３０８とディスプレイとの間でディスプレイ３０２に近接して配置された、単一のハイブリッドフレネルレンズ要素４０２を含む。示されるように、レンズ要素４０２とユーザの目３０８との間の距離は、比較的短くてよい（例えば、２５ｍｍよりも小さい、２０ｍｍよりも小さい）。ディスプレイの画素によって放出された光に対する、ディスプレイ３０２とユーザの目３０８との間の光路３１０もまた図４に示されている。
【００３１】
レンズ要素４０２は、マイクロディスプレイ３０２の方向を向いた第１面４０４、および、マイクロディスプレイとは反対方向を向いた第２面４０６を含む。第１面４０４は、凹状のフレネル面であり、その表面にフレネル構造（例えば、溝、ドラフト）を有する。第２面４０６もまた、凹状のフレネル面であり、その表面にフレネル構造を有する。簡潔にするため、これらのフレネル構造は示されていない。いくつかの実装例において、第２面４０６は、第２面において全内部反射（ＴＩＲ）条件が発生しないように、第１面４０４よりも大きな曲率半径を有してよい。上記にて説明された図３のフレネル面３１２および３１６と同様に、レンズ要素４０２のフレネル面４０４および４０６は、それぞれ、単一のフレネルパターンにより、または複数のフレネルパターンにより画定されてよい。
【００３２】
図５は、図２のＨＭＤシステム２００のようなＨＭＤシステムにおける光学システムのレンズ要素のフレネル面５００の上面図である。フレネル面５００は、上記にて説明されたフレネル面のいずれを表すものであってもよい。示されるように、フレネル面５００は、第１フレネルパターンまたは式によって画定されるプロファイルを有する第１または中央ゾーン５０２を有する。フレネル面５００は、第１フレネルパターンまたは式とは異なる第２フレネルパターンまたは式によって画定されるプロファイルを有する第２または周辺ゾーン５０４もまた有する。この例において、中央ゾーン５０２と周辺ゾーン５０４との間で滑らかな移行を提供するプロファイルを有する第３または移行ゾーン５０６が提供されてよい。例えば、第１ゾーンと第２ゾーンを不連続点無く滑らかに一緒に連結する第３または移行ゾーン５０６におけるフレネル面のプロファイルを画定する移行式または関数を提供すべく、第１ゾーンおよび第２ゾーンに対する２つのフレネルパターンまたは式が、多重化され、乗算され、さもなければ混合されてよい。中央ゾーン５０２と周辺ゾーン５０４との間の滑らかなプロファイル移行を生成するために、任意の適切な方法が使用されてよい。さらに、いくつかの実装例において、フレネル面５００は、２つよりも多く（例えば、３つ、６つ、９つ）のフレネルパターンまたは式によって画定されてよい。そのような場合、本明細書にて説明される技術は、フレネル面の任意のまたは全ての隣接するゾーン間で滑らかな移行を提供すべく使用されてよい。これは、有利なことに、そのようなゾーンのエッジにおける収差を低減する。
【００３３】
図６は、第１フレネル面６０２および第２フレネル面６０４を含む二重フレネルレンズ要素６００の簡略化した左側断面立面図を示す。レンズ要素６００の特徴は、上記にて説明されたレンズ要素のいずれにも実装され得る。図６においては、第１フレネル面６０２において隣接する溝の間の境界を例示するために、ハッシュマーク６０６が示されている。また、第２フレネル面６０４において隣接する溝の間の境界を例示するために、ハッシュマーク６０８が示されている。フレネル面において隣接するハッシュマーク間の距離は、フレネル面のピッチを表す。矢印６１０は、ディスプレイ（例えば、図３および図４のディスプレイ３０２）によってレンズ要素６００に向けて放出された光の光軸を示す。示されるように、第１フレネル面６０２のフレネル構造は、第２フレネル面６０４のフレネル構造から、オフセット距離Ｄだけオフセットされている。オフセット距離Ｄは、任意の適切な値（例えば、１／３ピッチ、１／２ピッチ、２／３ピッチ、３／２ピッチ、５／２ピッチ）であってよい。すなわち、面６０２および６０４のパワーは同じであってよいが、それぞれの面におけるフレネルパターンのそれぞれのピッチは、中心光軸６１０に対し、互いに対して半径方向にオフセットされ（例えば、シフトされ）てよい。他の実装例において、第１フレネル面６０２のフレネル構造は、第２フレネル面６０４のフレネル構造からオフセットされるよりも、むしろ、第２フレネル面６０４のフレネル構造と半径方向に位置合わせされてよい。
【００３４】
図７は、第１フレネル面７０２および第２フレネル面７０４を含む二重フレネルレンズ要素７００の簡略化した左側断面立面図を示す。レンズ要素７００の特徴は、上記にて説明されたレンズ要素のいずれにも実装され得る。図７においては、第１フレネル面７０２において隣接する溝の間の境界を例示するために、ハッシュマーク７０６が示されている。また、第２フレネル面７０４において隣接する溝の間の境界を例示するために、ハッシュマーク７０８が示されている。フレネル面において隣接するハッシュマーク間の距離は、フレネル面のピッチを表す。矢印７１０は、ディスプレイ（例えば、図３のディスプレイ３０２）によってレンズ要素７００に向けて放出された光の光軸を示す。図７に示されるように、第１フレネル面７０２のフレネル構造のピッチ７１２は、第２フレネル面７０４のフレネル構造のピッチ７１４とは異なる。例えば、第１フレネル面７０２は、５００μｍのピッチ値７１２を有するフレネル構造を有してよく、第２フレネル面７０４は、２００μｍ、５５０μｍ、８００μｍ、１０００μｍなどのピッチ値７１４を有するフレネル構造を有してよい。他の実装例において、第１フレネル面７０２のフレネル構造のピッチは、第２フレネル面７０４のフレネル構造のピッチと異なるよりもむしろ、第２フレネル面７０４のフレネル構造のピッチと同じであってよい。さらに、上記にて留意されたように、フレネル面のピッチは、フレネル面の半径にわたって一定であっても変化してもよい。フレネル面７０２および７０４のそれぞれのピッチがフレネル面の半径にわたって変化するようないくつかの実装例において、特定の半径におけるフレネル面７０２のピッチは、同じ半径におけるフレネル面７０４のピッチとは異なるものであってよい。
【００３５】
本出願が優先権を主張する、２０１６年９月１６日に出願された米国特許仮出願第６２／３９５，５１３号は、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。いくつかの実施形態において上記の通り説明された機能性は、代替的手段によって提供され得ることが理解されるだろう。同様に、いくつかの実施形態において例示された構成は、その他の例示される構成が、それぞれ、その代わりにそのような機能性に欠けている、またはそのような機能性を含んでいる場合のように、もしくは、提供される機能性の量が変更される場合のように、程度の差はあれ、記載される機能性を提供するものであってよい。さらに、様々な操作が、特定の態様で、および／または、特定の順序で実行されるように例示されてよいが、一方、他の実施形態においては、これらの操作が、その他の順序およびその他の態様で実行され得ることを当業者は理解するであろう。
【００３６】
前述の事項から、具体的な実施形態が例示を目的として本明細書にて記載されてきたものの、本開示の思想および範囲から逸脱することなく、様々な変更が成され得ることが理解されるだろう。さらに、本開示のいくつかの態様が、場合によってはいくつかの請求項の形式で提示されているが、または、いくつかの場合にはどの請求項にも具現化されなくてよいが、本発明者らは、利用可能なあらゆる請求項の形式で、本発明の様々な態様を予期するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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